STABILIZZATORE LINEARE 350V OLTRE 300mA

Questo stabilizzatore ricalca le impronte del suo predecessore a valvole postato poche settimane fa in questo sito; infatti i due schemi sono equivalenti ed lo stesso vale per il principio di funzionamento delle due circuitazioni, le uniche e importanti differenze, oltre al fatto che uno usa i transistor e l’altro le valvole, sono la diversa capacità di maneggiare correnti più o meno elevate, il diverso fattore di stabilizzazione, la diversa resistenza di uscita e la diversa tensione di saturazione dei dispositivi attivi.

Per un confronto diretto tra i due circuiti invito il lettore a visionare la pagina relativa allo stabilizzatore a tubi che si trova al sottostante indirizzo:

STABILIZZATORE SERIE A VALVOLE 300V 100mA

Il corrente stabilizzatore esibisce un fattore di stabilità pari a 12500 quindi inevitabilmente superiore al precedente che ne ha uno pari a 10000, pure la sua resistenza di uscita è più bassa (anche se di poco) rispetto a quella mostrata dall’altro regolatore essa è infatti pari a 0.2 ohm.

Ma la forza di questo stabilizzatore è la sua capacità di erogare al carico correnti assai maggiori; infatti gli unici limiti a fornirne intense è dovuto alla richiesta di enormi dissipatori per tenere il transistor serie entro temperature massime ammesse e all’aumento del limite inferiore della tensione richiesto all’ingresso per rimanere in regolazione.

Quindi maggiore corrente desiderata, maggiori dimensioni del dissipatore e maggiore tensione nominale d’ingresso senza superare i limiti ammessi dai transistor ovviamente.

Per provarlo ho usato una resistenza variabile di potenza da 1Kohm 300W, con essa ho fatto erogare allo stabilizzatore fino ad una corrente di 0.5A e questo non ha mostrato segni di cedimento.

La resistenza è visualizzata nella figura sottostante:

 Il ripple in ingresso ed in uscita è invece rappresentato qui sotto:

La foto rende l’idea della stabilizzazione, in alto il ripple ai capi del condensatore di livellamento e sotto quello ai capi del carico. Stiamo nell’ordine di 25Vpp contro circa 2mVpp, buono, no?

PROGETTO

Fare riferimento alla figura 1.

Figura 1

Dati:

Tensione di uscita = VOUT = 350V

Corrente massima erogata al carico = IL = 0.3A

In base a continue sperimentazioni relative a questo genere di circuiti ho stabilito che la tensione d’ingresso deve essere 1.25 volte quella di uscita.

VIN = 1.25 X VOUT = 1.25 X 350 = 437.5

Che approssimo a 440V.

Questa tensione potrà variare a causa della tolleranza della rete del +/- 10% (da 396V a 484V) e lo stabilizzatore dovrà rimanere nel campo della regolazione.

Si sceglie poi il transistor U1 che deve essere un darlington e che deve avere le seguenti caratteristiche:

Massima tensione di collettore-emettitore VCEU1 > VINmax – VOUT = 484 – 350 = 134V

Massima corrente di collettore ICU1 > 0.3A

Mediante la potenza media dissipata dal transistor, alla sua resistenza termica giunzione-case e alla sua massima temperatura di giunzione, si risale alla massima temperatura che può raggiungere il case del semiconduttore senza che esso si distrugga.

La potenza media è:

PU1 = (VIN – VOUT) X IL = 134 X 0.3 = 27W

La resistenza termica giunzione-case di U1 è pari a 1.1 C°/W. Mediante la seguente formula si viene a conoscere la temperatura massima del case che non può essere superata:

TC = TJ – PU1 X RJC = 175 – 27 X 1.1 = 145C°

Dove TJ è la massima temperatura di giunzione del transistor.

La corrente assorbita dalla base di U1 è pari a quella circolante tra collettore ed emettitore diviso il guadagno statico del transistor che è pari a circa 300:

IBU1 = IL / HFE = 0.3 / 300 = 1 mA

Questa corrente viene fornita dalla tensione di ingresso tramite la resistenza R1 e il transistor Q2; ogni variazione della tensione di uscita verrà amplificata da Q3 e Q1 e quest’ultimo varierà la corrente di base di U1 per renderlo più o meno conduttore così da riportare la tensione al carico al valore nominale.

Il transistor Q2, detto preregolatore, serve solo a far vedere al bjt Q1 una resistenza elevata, questo occorre per tenere alto il guadagno dello stesso e avere un alto fattore di stabilizzazione, per far ciò Q2 si deve comportare come un generatore di corrente, occorre quindi polarizzarlo con il diodo zener D3.

Dopo diversi tentativi ho ritenuto che il valore di 6.2V del dello zener sia il migliore dal punto di vista della stabilità; questo valore dovrà rimanere tale per qualsiasi tensione si desideri sia presente in uscita.

La corrente che scorre nel transistor Q1 deve essere circa uguale a quella assorbita dalla base di U1, quindi la corrente totale che attraversa Q2 ed R1 è pari a 2mA.

In base a questo valore determino quello della resistenza:

R1 = (VZD3 – VBEQ2) / IT = (6.2 – 0.65) / 0.002 = 2775 ohm

Dove :

VZD3 = tensione dello zener.

VBEQ2 = tensione base emettitore per il funzionamento in zona attiva del transistor.

IT = somma della corrente assorbita dalla base di U1 e quella assorbita dal collettore di Q1.

Approssimo il valore di R1 a 2,2 Kohm questa resistenza deve dissipare una potenza di:

PR1 = (VZD3 – VBEQ2)^2 / 2200 = 0.014W

Ne uso una di 1/4W.

Adesso calcolo il valore della resistenza R6. Imponendo una corrente di 2mA per polarizzare il diodo zener:

R6 = (VIN –VZD3) / IZD3 = (440 – 6.2) / 0.002 = 216900V

Che approssimo a 220Kohm.

La potenza del diodo e quella della resistenza R1 sono rispettivamente:

PD3 = VZD3 X IZD3 = 6.2 X 0.002 = 12mW

Si potrà prendere un diodo da 0.5W facilmente reperibile.

PR6 = (VIN – VZD3) ^2 / R6 = (440 -6.2)^2 / 220000 = 0.8W

Uso una resistenza da 1W.

Sulla collettore di Q2 è presente la tensione:

VCQ2 = VOUT + VBEU1 = 350 + 1.3 = 351.3V

Dove VBEU1 è la tensione base-emettitore di U1 (il doppio di 0.65V dato che è un darlington).

Quindi trascurando la piccola caduta su R1 il transistor Q2 deve avere le seguenti caratteristiche:

Massima tensione di collettore-emettitore > VIN – VCQ2 = 440 – 351.3 = 88.7V

Massima corrente di collettore > 2mA

Potenza > 88.7 X 0.002 = 0.17W

Per il diodo U2 scelgo una tensione di 160V circa la metà di quella presente sul collettore di Q1.

Questo diodo è attraversato dalla corrente proveniente dall’emettitore di Q1 pari a circa 1mA e da quella che circola nella resistenza R2 di polarizzazione. Volendo far attraversare nel diodo una corrente di 2mA, nella resistenza R2 circolerà 1mA.

R2 = (VOUT –VZU2) / IZU2 = (350 – 160) / 0.001 = 190000

Che approssimo a 180Kohm

La potenza dissipata dal diodo è:

PU2 = VZU2 X IZU2 = 160 X 0.002 = 0.32W

Scelgo un diodo da 0.5W.

La potenza dissipata dalla resistenza è:

PR2 = (VOUT – VZU2)^2 / R2 = (350 -160)^2 / 180000 = 0.2W

Scelgo una resistenza di potenza pari a 1/4W.

Sul collettore di Q3 deve essere presente la tensione:

VCQ3 = VZU2 + VBEQ1 = 160 + 0.65 = 160,65

Scegliendo di far scorrere in Q3 una corrente di 1mA la resistenza R7 sarà:

R7 = (VOUT – VCQ3) / ICQ3 = (350 – 160.65) / 0.001 = 189350

Che approssimo a 180K.

La potenza di questa resistenza è:

PR7 = (VOUT – VCQ3)^2 / R7 = (350 – 160.65)^2 / 180000 = 0.199W

Ne uso una da 1/4W.

Per quanto concerne la caduta su R8, più è bassa e migliore è la stabilizzazione. Usando due zener in serie da 160V si ottiene una tensione ai capi di R8 pari a:

VR8 = VOUT – (VZU5 + VZU6) = 350 - 320 = 30V

Scegliendo di far scorrere una corrente di 2mA dei diodi U5 e U6 nella resistenza R8 scorre la somma di questa corrente e quella proveniente da dal’emettitore di Q3 pari a 1mA, per cui:

R8 = VR8 / 0.003 = 10K

La Potenza di tale resistenza è pari a:

PR8 = VR8^2 / R8 = 30 / 10000 = 3mW

Scelgo una resistenza di 1/4W

Imponendo un valore abbastanza alto per R3 ad esempio 1Mohm la resistenza R4 si determina da:

R4 = (VP X R3) / (VOUT – Vp) = (30.65 X 1000000) / (350 – 30.65) = 95976 ohm

Dove Vp è:

VP = VR8 + VBEQ3 = 30 + 0.65 = 30.65V

Approssimo R3 a 100K ma il valore giusto, a causa delle tolleranze dei componenti, potrebbe essere un pochino diverso, troverete quello giusto in fase di sperimentazione.

Fabio

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